Effect of cell heterogeneity on isogenic populations with the synthetic genetic toggle switch network: bifurcation analysis of two-dimensional Cell Population Balance Models
基因调控网络的动力学模型通常假设细胞同质性。然而，这一假设与各种系统中的大量实验结果相矛盾，这些实验结果表明细胞群体是异质系统，因为诸如大小、形状和DNA/RNA含量等特性在其个体之间分布不均匀。为了解决异质性的影响，我们利用所谓的细胞群体平衡（CPB）模型。在这里，我们解决了数值多变量CPB模型，研究异质性对携带切换开关网络的群体的影响，该网络在单细胞水平上具有非线性行为。为了回答这种非线性行为是否遗传到异质种群水平，我们对CPB模型的稳态解进行了分歧分析。我们发现，双稳态是目前在人口水平与相关的双稳态区域收缩时，异质性的影响增强。
2017-08-22 q-bio.MN q-bio.PE
Analysis and control of genetic toggle switches subject to periodic multi-input stimulation
University of Naples Federico II（那不勒斯费德里科二世大学）；University of Bristol（布里斯托大学）
本文研究了在周期多输入刺激下遗传toggle开关的动力学行为，提出了一种分析模型以解释实验观测并近似其渐近行为，同时探讨了系统参数对模型预测精度的影响，并提出了调节报告蛋白荧光均值的外部控制策略。
2018-09-04 cs.SY eess.SY q-bio.MN
Stochastic analysis of a miRNA-protein toggle switch
在系统生物学中，人们对遗传和生化反应网络的随机行为越来越感兴趣。一个适当的随机描述提供了化学主方程，它代表了一个连续时间马尔可夫链（CTMC）。在本文中，我们考虑的随机特性的生化电路，已知控制真核细胞周期，并可能参与肿瘤发生，最近在文献中提出的确定性框架内。由于生物化学过程的内在随机性和所涉及的分子数量较少，随机方法在描述真实系统时应该更正确：我们通过探索系统参数空间来研究两种方法之间的一致性。我们解决这个问题，提出了一个简化版本的模型，允许分析处理，并进行数值模拟的完整模型。我们观察到最佳协议之间的随机和确定性的描述的电路在一个大的参数范围内，但一些实质性的差异出现在至少两种情况下：1）当确定性的系统是在附近的过渡从单稳态到双稳态配置，和2）当双稳态（在确定性的系统）是“掩盖”在随机系统的分布尾巴。该方法提供了有趣的估计的最佳数量的分子参与切换。我们的讨论点的优势，潜力和弱点的化学主方程在系统生物学和确定性建模方面的差异被利用，以提供有用的建议，为生物信息学从业者和理论科学家。
2011-06-22 physics.bio-ph q-bio.MN
Biologic: Gene circuits and feedback in an introductory physics sequence for biology and premedical students
两个合成基因电路-遗传拨动开关和repressilator -定量分析和讨论的背景下，基因电路和反馈的教育模块，构成了为期一年的介绍性物理序列的最后一个主题，针对生物学和医学预科本科生。基因开关由两个基因组成，每个基因的蛋白质产物抑制另一个基因的表达，而阻遏物由三个基因组成，每个基因的蛋白质产物抑制下一个基因的表达。对基因开关的解析、数值和电子学处理表明，该基因电路实现了双稳态。再压器的简化处理表明，该电路可以实现持续振荡。在这两种情况下，得到一个“相图”，指定的区域的参数空间中的双稳态或振荡行为，分别发生。
2013-07-11 physics.ed-ph q-bio.MN
Bifurcations and multistability in inducible three-gene toggle switch networks
California Institute of Technology（加州理工学院）
本研究探讨了三基因开关网络中效应分子对多稳态动态的影响，揭示了双功能蛋白调控机制对动态行为的关键作用。
2026-02-03 physics.bio-ph q-bio.MN q-bio.SC
Biological implications of $\mathfrak{so}(2,1)$ symmetry in exact solutions for a self-repressing gene
我们化学特征的对称性背后的随机负自我调节基因的精确解。低分子数对称性破缺导致三种效应。存在两个分支的解决方案，具有高和低切换速率，使得低切换速率分支接近确定性行为，而高切换速率分支表现出子Fano行为。平均蛋白质数量与确定性预期值不同。双峰概率分布出现的蛋白质数量成为一个读出的ON/OFF状态的基因。
2019-07-11 q-bio.MN
Reaction coordinates for the flipping of genetic switches
我们提出了一个详细的分析，基于前向通量采样（FFS）模拟方法，开关的动力学和稳定性的两个模型的遗传拨动开关，由两个相互抑制的基因编码转录因子（TF）;在一个模型中（互斥开关），它们互相排斥对方的绑定，而在另一个模型（通用开关）中，两个转录因子可以同时结合到共享的操纵子区。我们评估了两对影响这些开关稳定性的反应的作用：TF-TF同源二聚化和TF-DNA缔合/解离。我们将翻转率k分解为在两个稳定状态之间的分界面（分界线）处找到系统的概率rho（q*）与动力学前因子R的乘积。在排他性转换的情况下，TF操纵子结合的速率影响rho（q*）和R，而TF二聚化的速率仅影响R。在一般开关的情况下，TF-操纵子结合和TF二聚化都影响k、R和rho（q*）。为了阐明这一点，我们分析了过渡态系综（TSE）。对于排他性开关，改变TF-操纵子结合的速率可以极大地改变开关的途径，而改变二聚化的速率改变开关速率而不改变机制。通用开关的开关途径对TF-操纵子和TF-TF结合的速率常数的变化具有高度鲁棒性，即使这些速率常数确实影响翻转速率;该特征对于非平衡系统是独特的。
2007-11-28 q-bio.MN q-bio.QM
How input fluctuations reshape the dynamics of a biological switching system
定量生物学的一个重要任务是理解随机性在生化调节中的作用。在这里，作为我们最近工作的延伸[物理学。107，148101（2011）]，我们研究了输入波动如何影响简单生物开关的随机动力学。在我们的模型中，开关的导通转换速率直接由噪声输入信号调节，该噪声输入信号被描述为非负均值回复扩散过程。这个连续过程可以是离散生灭过程的一个很好的近似，并且在分析上更容易处理。在这个新的设置中，我们应用Feynman-Kac定理来研究输出切换动态的统计特征。与我们以前的研究结果一致，输入噪声被发现可以有效地抑制输入相关的过渡。我们分析表明，这种效果变得显着时，输入信号的幅度波动很大，慢慢恢复到其平均值。
2012-10-17 physics.bio-ph q-bio.MN q-bio.QM
Stochastic Simulations of Genetic Switch Systems
利用确定性方法（速率方程）和随机性方法（主方程和Monte Carlo模拟）研究了两个转录因子相互抑制的遗传开关系统。这些系统表现出双稳态，即两个稳定状态，使得它们之间的自发跃迁是罕见的。诱导转变可能由于外部刺激而发生。我们研究了几种变异的遗传开关，并研究了合作结合，排他性结合，蛋白质相互作用和结合阻遏物的降解的影响。我们确定的参数范围内发生双稳态，使系统作为一个开关。许多研究已经得出结论，合作绑定是在这些系统中出现的双稳态的必要条件。我们发现，一个合适的网络结构和随机效应的组合，即使没有合作绑定，也会产生双稳态。自发转换之间的平均时间作为生物学参数的函数进行评价。
2007-02-01 q-bio.MN
The power of the AC-DC circuit: Operating principles of a simple multi-functional transcriptional network motif
基因编码的调节回路控制生物功能。系统生物学的一个主要焦点是通过建立特定结构和功能之间的关系来理解这些电路。特别令人感兴趣的是能够在不改变其拓扑结构的情况下执行不同行为的多功能电路。这种系统的一个特别简单的例子是AC-DC电路。在多个调节过程中发现，该回路由三个基因组成，它们以拨动开关和阻遏物的组合连接。利用动力系统理论，我们分析了现有的动力学制度，表明AC-DC可以表现出振荡和双稳态。我们发现，这两个动力学制度可以共存鲁棒性在同一区域的参数空间，产生新的紧急行为不提供给个别子网络组件。我们证明了AC-DC电路提供了一种在振荡和稳定表达之间快速切换的机制，并且在存在噪声的情况下，电路的多功能性提供了控制振荡的相干性的可能性。此外，我们提供的证据表明，一个振荡制度的可用性允许AC-DC电路的行为作为一个可激发的系统能够随机脉冲和空间信号传播。综合这些结果揭示了如何一个简单的AC-DC电路系统可以产生多个复杂的动力学行为在相同的参数范围内，非常适合于多功能合成遗传电路的建设。同样，分析揭示了这种电路的潜力，以促进不同的模式化机制的演变。
2017-08-16 q-bio.MN
Comparison of Domain Nucleation Mechanisms in a Minimal Model of Shoot Apical Meristem
现有的数学模型的拍摄顶端分生组织（SAM）解释成核和限制的干细胞域的图灵的机制，假设激活剂（WUSCHEL）和抑制剂（CLAVATA）的扩散系数是显着不同的。由于没有证据表明这种假设的差异扩散，我们最近提出了一个新的机制的基础上的SAM的开关模型。在这里，我们详细研究了双稳态开关机制，表明它可以被理解为在单个细胞中由肽激素的非均匀场驱动的WUSHEL活性的局部开关。通过比较图灵域形成和细胞网络上的双稳态开关机制，我们表明，后者不需要前者所需的假设，这是不支持的生物学证据。
2017-12-06 q-bio.MN
Efficiency, Robustness and Stochasticity of Gene Regulatory Networks in Systems Biology: lambda Switch as a Working Example
λ噬菌体是现代分子生物学中研究最多的生物模型之一。在过去的50年里，关于这种生物模型的定量实验知识已经在各个层面上积累起来：物理学，化学，基因组学，蛋白质组学，功能等等。它的所有组成部分都已经被详细地了解了。理论上的任务是整合其组成部分，使有机体以和谐的方式定量工作。这将考验我们的生物学理解，并为进一步的探索和应用奠定坚实的基础，这是系统生物学的一个明显目标。其中一个突出的挑战是所谓的lambda开关的稳定性难题：生物学上观察到的鲁棒性及其基于已知实验值的困难数学重建。在这一章中，我们回顾了最近的理论和实验努力，解决这个问题。重点放在最小的定量建模实验和建模之间的成功的数值协议已经实现。在此基础上提出了一种新的随机动力结构分析方法。
2006-02-09 cond-mat.other nlin.AO q-bio.MN
Boolean Models of Bistable Biological Systems
本文给出了用布尔网络模型逼近由常时滞微分方程组给出的某些类型的动力系统的算法。通常布尔模型比复杂的微分方程模型更容易理解。这项工作的动机来自数学系统生物学。虽然布尔机制不提供关于精确浓度率或时间尺度的信息，但它们通常足以捕获稳态和其他关键动态。由于其直观的性质，这些模型对生命科学的研究人员非常有吸引力。本文主要研究由时滞方程描述的具有双稳定性的动力系统。它表明，如果一个特定的主题，包括一个反馈回路存在于系统的布线图，布尔模型捕捉到的分子开关的双稳态。该方法应用于来自生物学的两个实例，lac操纵子和噬菌体λ裂解/溶原性开关。
2009-12-10 q-bio.MN q-bio.QM
Optimal control of stochastic reaction networks with entropic control cost and emergence of mode-switching strategies
the University of Tokyo（东京大学）
针对离散、非线性且受灭绝影响的随机生物种群控制问题，提出基于 f-散度（尤其 KL 散度）成本的最优控制框架，将 HJB 方程线性化，并在随机游走者、Moran 过程和 SIR 模型中揭示模式切换策略。
2025-10-20 cs.SY eess.SY math.OC
